交流调速系统概述PPT
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第8章 交流调压调速系统
调压调速的功率损耗
转速负反馈闭环控制交流调压调速系统
1．异步电动机传递函数 • 在机械特性近似线性段上的稳态工作点A附近，可以证明：
2 3 pn U1A Td (2U1A sA U1 ) ' 1R2 1
J G d ( ) Td TL pn dt
转速负反馈闭环控制交流调压调速系统
调压调速和变极调压调速效率曲线及 机械特性曲线
•低速时，多速电动机效率比4极单速电动机提高很多，定子 电流也减小许多。 •机械特性最上面为 4极，最下面为 10 极。中间部为 6 极。端 电压各为U1＞U2＞U3＞U4，可见调速范围扩大了。
Δ-Y变换节电
采用由交流接触器和时间继电器等简单电器就可构成 ΔY切换降压装置。其显著的特点是：体积小、成本低、 寿命长、动作可靠。因此在工矿企业中某些轻载设备上 使用，可取得显著的节电效果。 当电动机定子绕组由 Δ 形联结改接成 Y 形联结后，电动 1 =3 机每相定子绕组电压降为原来的，即：UY/U 。 Δ 电动机线电流、电磁转矩均降为原来的 1/3 ，即： IY/IΔ =1/3，TY/TΔ =1/3。 由于 Y 接法与 Δ 接法虽然有电压变化，但是电动机的转 速变化不大，可近似的认为n近似为nN，所以Y接法时电 动机的功率降为原来的1/3，即： PY TY n 1 ＝ P T nN 3
第8章 交流调压调速系统
8.1概述 8.1.1交流调压调速的发展 8.1.2交流调速系统的分类 8.2异步电动机调压调速系统工作原理 8.2.1调压调速的工作原理 8.2.2交流调压器原理 8.3异步电动机调压调速系统 8.3.1调压调速系统的组成 8.3.2调压调速系统的特性 8.3.3调压调速的功率损耗
交直流调速系统
交直流调速系统•引言•交直流调速系统基本原理•交直流调速系统组成与结构目录•交直流调速系统控制策略•交直流调速系统性能分析•交直流调速系统设计与实践•交直流调速系统应用与展望引言01CATALOGUE调速系统概述调速系统的定义调速系统是一种能够改变电动机转速的控制系统，通过调整电动机的输入电压、频率等参数，实现对电动机转速的精确控制。
调速系统的分类根据电动机类型不同，调速系统可分为直流调速系统和交流调速系统两大类。
其中，直流调速系统具有调速范围广、静差率小等优点，而交流调速系统则具有结构简单、维护方便等特点。
交直流调速系统的发展与应用发展历程交直流调速系统经历了从模拟控制到数字控制的发展历程。
早期的调速系统主要采用模拟控制技术，随着计算机技术的发展，数字控制技术逐渐取代了模拟控制技术，使得调速系统的性能得到了显著提升。
应用领域交直流调速系统广泛应用于工业生产的各个领域，如机械制造、冶金、化工、纺织等。
在现代化生产线中，交直流调速系统是实现自动化生产的关键技术之一，对于提高生产效率、降低能耗具有重要意义。
交直流调速系统基本原理02CATALOGUE直流电机通过电枢电流和磁通量的相互作用产生转矩，实现电机的旋转运动。
直流电机原理调速方式控制策略直流调速系统通过改变电枢电压、电枢电阻或磁通量来调节电机的转速。
直流调速系统常采用PID 控制、模糊控制等策略，实现电机转速的精确控制。
030201交流电机通过定子电流产生的旋转磁场与转子电流的相互作用，实现电机的旋转运动。
交流电机原理交流调速系统通过改变定子电压、频率或改变电机结构等方式来调节电机的转速。
调速方式交流调速系统常采用矢量控制、直接转矩控制等策略，实现电机转速的精确控制。
控制策略交直流混合调速系统原理混合调速原理交直流混合调速系统结合了直流和交流调速系统的优点，通过交直流变换器实现能量的双向流动和转速的精确控制。
能量转换交直流混合调速系统通过交直流变换器将直流电能转换为交流电能，或将交流电能转换为直流电能，以满足不同负载的需求。
第六章 交流调速系统
华南理工大学
交流电机的同步转速表达式为：
n1
＝
60 f1 p
异步电动机的转速表达式为：
n1＝
60 f1 p
(1
s)
因此，异步电动机的调速方法有改变电动机
定子供电频率，改变转差率及改变极对数等三种。
其中改变转差率又可通过调定子电压、转子电阻、
转差电压及定、转子频率差等方法实现。同步电
动机的调速可用改变供电频率从而改变同步转速
Sm
R2
R12 12 (Ll1 Ll2 )2
Tm
21[R1
3 pU12
R12 12 (Ll1 L'l 2 ) 2 ]
华南理工大学
上式表明，当转速或转差率一定时，电磁转
矩与电压平方成正比。对应不同的定子电压，可 得到一组机械特性曲线，如图6—3 所示，图中
U1N表示定子额定电压。
右图分析： 带恒转矩负载时，普 通笼型异步电动机调 压时的稳定工作点为 A—B—C，转差率在 0—Sm范围内变化，调 速范围很小。如带风 机类负载运行，工作 点为D、E、F，调速范 围稍大些。
电路（e）只用三个晶闸管，它们位于三相绕 组后面可减少电网浪涌电压对它的冲击，即使 三相绕组发生相间短路也不致损坏晶闸管，它 的移相范围为2100。此电路要求定子绕组中性 点能拆开，且只能接成Y形。电路上有偶次谐 波，对电机不利。
华南理工大学
优胜电路：
综上所述，电路（b）、(e)性能 较好，在交流调压调速系统中多采 用这两个方案。
华南理工大学
6.2.2 异步电动机 在调压时的机械特性
根据电机学原理，异步电动机稳态时的简化 等值电络图如图6—2所示。
I1
R1
Ll1
交流电机的同步转速表达式为：
n1
＝
60 f1 p
异步电动机的转速表达式为：
n1＝
60 f1 p
(1
s)
因此，异步电动机的调速方法有改变电动机
定子供电频率，改变转差率及改变极对数等三种。
其中改变转差率又可通过调定子电压、转子电阻、
转差电压及定、转子频率差等方法实现。同步电
动机的调速可用改变供电频率从而改变同步转速
Sm
R2
R12 12 (Ll1 Ll2 )2
Tm
21[R1
3 pU12
R12 12 (Ll1 L'l 2 ) 2 ]
华南理工大学
上式表明，当转速或转差率一定时，电磁转
矩与电压平方成正比。对应不同的定子电压，可 得到一组机械特性曲线，如图6—3 所示，图中
U1N表示定子额定电压。
右图分析： 带恒转矩负载时，普 通笼型异步电动机调 压时的稳定工作点为 A—B—C，转差率在 0—Sm范围内变化，调 速范围很小。如带风 机类负载运行，工作 点为D、E、F，调速范 围稍大些。
电路（e）只用三个晶闸管，它们位于三相绕 组后面可减少电网浪涌电压对它的冲击，即使 三相绕组发生相间短路也不致损坏晶闸管，它 的移相范围为2100。此电路要求定子绕组中性 点能拆开，且只能接成Y形。电路上有偶次谐 波，对电机不利。
华南理工大学
优胜电路：
综上所述，电路（b）、(e)性能 较好，在交流调压调速系统中多采 用这两个方案。
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6.2.2 异步电动机 在调压时的机械特性
根据电机学原理，异步电动机稳态时的简化 等值电络图如图6—2所示。
I1
R1
Ll1
第四章 交流电动机调速控制系统
r12
(X1
c1 X
' 20
)2
]
（4-8）
因 r12
(X1
c1
X
' 20
)
2
，近似得：
Mm
1 2c1
2f1[r1
m1PU12
(X1
c1 X
' 20
)]
（4-9）
2. 生产机械的转矩特性
摩擦类 特性曲线见图（a） 负载： ，位于1、3象限。
生产机械
恒转矩负载：它的负载转矩是一 个恒值，不随转速 而改变。
——定子极对数
（4-3）
4)．传给转子的功率（又称电磁功率）与机械功率、转子铜耗之间有如下
关系式 ： PMX PM PM 2 (1 S)PM
（4-4）
式中：
PM ——传给转子的功率（又称电磁功率）
PMX ——机械功率
PM 2 ——转子铜耗
5)．电机的平均转矩为：
M CP
PMX
M0 Mn 否则电机无法进入正常运转工作区。
交流机的起动电流一般为额定电流的4~6倍 ,起动时 一般要考虑以下几个问题：
图4-7 机械特性曲线
1. 应有足够大的起动力矩和适当的机械特性曲线。 2. 尽可能小的起动电流。 3．起动的操作应尽可能简单、经济。 4．起动过程中的功率损耗应尽可能小。
普通交流电机在起动过程中为了限制起动电流，常用的起动方法有三种。即：
图6-1的等效电路，经化简后得到能耗制动的等效电路如图4-10所示。
图4-10 能耗制动的等效电路
图中：
•
I1 ——直流励磁电流的等效交流电流
《交直流调速系统》第六章交流电动机调速及变频原理
交直流调速系统：交流电 动机调速及变频原理
交直流调速系统是当今工业领域中应用最广泛的电机调速方式之一。本文将 介绍其工作原理、控制方式、实验结果以及应用领域。
交直流调速系统简介
工作原理
交直流调速系统将交流电网变频后的电能， 通过调整输出电压的频率和振幅，实现对交 流电动机转速的精确控制。
应用领域
广泛应用于各种机械传动、液力传动和水泵 等控制系统中。
交流电动机调速系统的应用领域
自动化系统中的应用
在各种自动化生产设备中被 广泛应用，如印刷机、纺织 机、机床等清
电力系统的应用
在电力和水泵工业中，它们 通常被用于驱动变速风扇、 汽轮机、输电水泵和空气压 缩机。
船舶和铁路设备的 应用
在船舶和铁路设备中，变频 系统被用于调节主推进电机 和发动机。
总结和展望
优点
能够提高电机的转速调节精度、降低噪声和 振动，操作简便、维护方便。
未来发展
随着电力电子技术的发展和应用，交直流调 速技术将显示出更加优异稳定的特性。
交流电动机调速原理介绍
异步电动机
在交流电路中，由于线圈电势 产生了磁通量，被感应到的铝 制转子上涡流的作用下形成了 磁通量，进而激起了电势和转 矩。
压，并将其送入交流电机中。
3
控制电路
接收电机转速及其加速度反馈信息， 将这些反馈信息与控制策略融合，进 而实现对交流电机调速控制。
交流电动机调速控制方式
1 恒转矩调速
2 恒功率调速
保持电机输出转矩不变的状态下，改变电 机输出的转速。
在电机输出功率不变的情况下，改变电机 转速。
3 恒流调速
4 联合控制
同步电动机
自带一定数目的永磁体，并且 同步转子上的感应电流同步于 定子电流，从而使交流电动机 实现了较好的调速性能。
交流调速系统
项目2 项目 交流调速系统
1.概述 概述
1、交直流调速系统的格局 、
19世纪中叶先后诞生直流调速和交流调速系统 世纪中叶先后诞生直流调速和交流调速系统 20世纪 年代以前 世纪60年代以前 世纪 80% —— 交流定速运行 18% —— 直流可调速运行 2% —— 交流可调速运行 70年代以前直流占统治地位 年代以前直流占统治地位。 70年代以前直流占统治地位。 70年代电力电子技术的发展开创了交流可调速 70年代电力电子技术的发展开创了交流可调速 传的新纪元。 传的新纪元。 目前，交流调速是调速领域的主要发展方向。 目前，交流调速是调速领域的主要发展方向。
电 流 控 制 功 能
θr*
＋
θr
－
位 置 控 制 器
＋
ωr*
ωr
－
速 度 控 制 器
＋
T
* e
Te
－
转 矩 控 制 器
i
*
＋ －
i
电 动 机
转 矩 检 测 器
机 械 负 载
ωr
s
转矩、速度、 转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统
项目2 项目 交流调速系统
闭环控制策略
位置控制 将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到 另一确定的空间位置。 另一确定的空间位置。例如数控机床和机器人就是典型的位 置控制系统即伺服系统。 置控制系统即伺服系统。 速度控制 以确定的速度曲线使负载产生运动。 以确定的速度曲线使负载产生运动。例如风机水泵通过调速 来调节流量，电梯通过速度和加速度调节来实现平稳升降。 来调节流量，电梯通过速度和加速度调节来实现平稳升降。 转矩控制 维持转矩的恒定或遵循某一变化规律。如轧钢机械、 维持转矩的恒定或遵循某一变化规律。如轧钢机械、造纸机 械和传送带中的张力控制等。 械和传送带中的张力控制等。
4.交流变频调速系统
第三章
交压变频调速系统
第一节 变频调速技术的发展及应用 第二节 变频调速系统的工作原理 第三节 变频调速系统无逆变电路 第四节 晶闸管变频调速系统 第五节 正弦波脉宽调制技术
第一节 变频技术的发展及应用
什么叫变频?变频器有什么特点？
变频调速就是通过变频器将固定频率和固定电压 的交流电源转化为能在宽广的范围内电压和频率 均可调的变频电源。
U1 R1I1 E1 E1 4.44 f1 N1K1
E1 U1 4.44 f1 N1 K1 4.44 f1 N1 K1
由上面推导出来的式子可知，只要控制好 U1 和 f1 ，便可达到控制磁通 的目的， 对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基 频以上两种情况。
a、基频以下的变频控制方式
b、基频以上的变频控制方式 在基频以上时，频率可从f1N往上增高，但电压U1却 不能增加得比额定电压U1N大，一般保持U1=U1N，使 磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升 速的情况。
m
U 1N 4.44 f1 N 1 K N 1
f1 f1 N
恒电压的控制方式用于基频以上的变频系统中，此时 电压恒定，磁通会从额定值ΦN向下调节。
60 f1 n (1 s) 1.异步电动机的转速： n1 (1 s) np
改变电源频率，同步转速发生改变，从而改变电 动机的转速。
2、变频调速的基本控制方式
由电机学知
E1 4.44 f1 N1 K1
/ Te Cm m I 2 cos 2
如果忽略定子上的电阻压降，则有
n
I sb , 1a
I sa , 1a
I sa I sb
1a 1b
I sb , 1b
交压变频调速系统
第一节 变频调速技术的发展及应用 第二节 变频调速系统的工作原理 第三节 变频调速系统无逆变电路 第四节 晶闸管变频调速系统 第五节 正弦波脉宽调制技术
第一节 变频技术的发展及应用
什么叫变频?变频器有什么特点？
变频调速就是通过变频器将固定频率和固定电压 的交流电源转化为能在宽广的范围内电压和频率 均可调的变频电源。
U1 R1I1 E1 E1 4.44 f1 N1K1
E1 U1 4.44 f1 N1 K1 4.44 f1 N1 K1
由上面推导出来的式子可知，只要控制好 U1 和 f1 ，便可达到控制磁通 的目的， 对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基 频以上两种情况。
a、基频以下的变频控制方式
b、基频以上的变频控制方式 在基频以上时，频率可从f1N往上增高，但电压U1却 不能增加得比额定电压U1N大，一般保持U1=U1N，使 磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升 速的情况。
m
U 1N 4.44 f1 N 1 K N 1
f1 f1 N
恒电压的控制方式用于基频以上的变频系统中，此时 电压恒定，磁通会从额定值ΦN向下调节。
60 f1 n (1 s) 1.异步电动机的转速： n1 (1 s) np
改变电源频率，同步转速发生改变，从而改变电 动机的转速。
2、变频调速的基本控制方式
由电机学知
E1 4.44 f1 N1 K1
/ Te Cm m I 2 cos 2
如果忽略定子上的电阻压降，则有
n
I sb , 1a
I sa , 1a
I sa I sb
1a 1b
I sb , 1b
2-交流电机变频调速详解
以下情况要选用交流输出电抗器
变频器到电机线路超过100米（一般原则）
以下情况一般要选用制动单元和制动电阻 提升负载 频繁快速加减速 大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）
变频器选型—选型原则
使用通用变频器的行业和设备 使用矢量变频器的行业和设备
纺织绝大多数设备
冶金辅助风机水泵、辊道、高炉卷扬 石化用风机、泵、空压机 电梯门机、起重行走 供水 油田用风机、水泵、抽油机、空压机
多
0.4-315KW
EV1000 EV2000
TD3000 2.2-75KW TD3100 高 TD3300
高动态性能 动态性能好 总线设计 精确控制 网络化应用 行业专用
0.4-5.5KW
功 能
TD900
调速、通讯 操作简便
功能丰富 适用面广
高稳态性能
成 本
完整的功率段 行业专用
少
宽电压范围
元件化设计
R S T P1 (+) PB (-) U V
MOTOR
W
PE
POWER SUPPLY
制动电阻
工频电网输入 380V 3PH/220V 3PH
直流电抗器
三相交流电机
220V 1PH
变频器的构成—控制回路接口
接口类型 主要特点 主要功能
开关量输入
开关量输出 模拟量输入
无源输入，一般由变频 启/停变频器，接收编码器信号、多 器内部24V供电， 段速、外部故障等信号或指令
2.3 交流电机变频调速
•概 述
异步电机的变压变频调速系统一 般简称为变频调速系统。由于在调速 时转差功率不随转速而变化，调速范 围宽，无论是高速还是低速时效率都 较高，在采取一定的技术措施后能实 现高动态性能，可与直流调速系统媲 美。因此现在应用面很广，是本篇的 重点。
绪论交直流调速系统
变频调速
矢量控制
基于磁场定向控制，通过控制电机的 输入电流，实现电机的转矩和转速的 解耦控制。
通过改变电源的频率来实现调速，是 目前应用最广泛的交流调速方式。
直流调速系统的基本原理
改变电枢电压调速
01
通过改变电机的输入电压，调节电机的输入电流，实现电机的
转速调节。
改变电枢电阻调速
02
通过在电机的电枢回路中串入不同的电阻，调节电机的输入电
在某些应用场景中，同时使用交流和直流电机进行驱动，如电动 汽车等。
能量回馈
在制动或下坡时，将机械能转化为电能回馈给电网或储能装置。
自适应控制
根据电机参数和运行状态的变化，自适应地调整控制策略，提高 系统性能。
04 交直流调速系统的性能指标
CHAPTER
交流调速系统的性能指标
调速范围
交流调速系统的调速范围通常是指电机 在额定转速以下可调速的范围，以百分
交直流调速系统主要由控制器、功率驱动器和电动机三部分组成，其中控制器是核心部分， 负责接收输入信号并输出控制指令。
交直流调速系统的调速方式主要有两种：一种是改变电动机的输入电压，通过调节电压的大 小来改变电动机的转速；另一种是改变电动机的输入电流，通过调节电流的大小来改变电动 机的转速。
交直流调速系统的应用场景
较高，节能效果较好。
03
控制精度与动态响应
直流电机控制精度高，动态响应快，适用于高精度、高动态响应的场合；
而交流电机控制精度相对较低，动态响应较慢，适用于对精度和动态响
应要求不高的场合。
03 交直流调速系统的控制方法
CHAPTER
交流调速系统的控制方法
转差功率不变控制
通过改变电机转差率来调节速 度，保持转差功率不变，如滑
交流调速系统..课件
VS
详细描述
模糊控制策略通过将专家的知识和经验转 化为模糊规则，对系统的输入和输出进行 模糊化处理，并根据模糊逻辑进行决策。 这种控制策略能够处理不确定性和非线性 问题，但可能存在计算量大和鲁棒性不足 的问题。
控制策略的比较与选择
总结词
根据系统特性和应用需求，选择合适的控制 策略。
详细描述
在交流调速系统的实际应用中，需要根据电 机的类型、系统的性能要求、控制精度和动 态响应等要求，选择合适的控制策略。同时 ，需要对各种控制策略的优缺点进行比较， 以实现最佳的控制效果。
系统维护保养与故障排除
故障诊断
根据故障现象，分析可能的原因。
故障排除
根据诊断结果，采取相应措施排除故障。
预防措施
对故障进行分析，采取预防措施，避免类似故障再次发生。
系统性能测试与评估
要点一
转速控制精度
测试系统转速控制的准确性。
要点二
调速范围
测试系统调速范围是否满足要求。
系统性能测试与评估
• 稳定性：测试系统在各种工况下的稳定性。
02
交流调速系统的种类与特点
变频器调速系统
01
02
03
种类
交-直-交变频器、交-交变 频器
特点
调速范围宽、动态响应快 、运行效率高、节能效果 好、易于实现自动控制和 过程控制
应用领域
广泛应用于各行业的风机 、水泵、压缩机等通用机 械的调速和节能运行
串级调速系统
工作原理
通过改变电机转子回路电 阻来调节电机转子电流， 进而改变电机转速
行。
系统软件设计
控制算法选择
选择适合的控制系统算法，如PID控制、模 糊控制等。
软件架构设计
第六章交流异步电动机变频调速系统PPT课件
电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻
抗压降，而认为定子相电压 Us ≈ Eg，
8
则得 U s 常值
这是恒压频f1 比的控制方式。
（6-3）
但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻 抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。
这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便 近似地补偿定子压降。
3
第一节 变频调速的基本控制方式和机械特性 通过改变定子供电频率来改变同步转速实现
对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到 低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效 率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为， 变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想 的调速方法 。
原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特 性，通过改变电动机的供电频率进行调速。保
带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下
图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。
2. 基频以上调速
在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，
但定子电压Us 却不可能超过额定电压
9
UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通
与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升 速的情况。
Us UsN
11
Us Φm
恒转矩调速
UsN ΦmN
Us
恒功率调速
Φm
O
f1N
f1
图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性
异步电动机的变压变频调速是进行分段控制的：
基频以下，采取恒磁恒压频比控制方式；
基频以上，采取恒压弱磁升速控制方式。
12
U Te
P
N
UN
Te
U
P
O
变电压调速
绪论交流调速概述
（1）新型开关元件和储能元件的研制。 （2）最新控制思想、控制算法、控制技术不断应用 于交流调速产品。 （3）控制装置设计可靠性越来越高性能，不断解决 瞬时停电后的装置安全及恢复正常问题。 （4）高运算速度、高控制性能的微型计算机产品在 现代交流调速装置中不断应用，充分显示了现代控制手 段的优越性。 （5）进行大容量、特大容量等级的新型交流调速 动机技术研究。同时也在进行结构精巧的高效能、高精 度交流控制电机技术研究。
6
交流调速系统概述
交流电动机调速系统的技术应用：
（1）风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进 行变频、串级调速，可以节能。
（2）对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运 行平稳、档次提高。
（3）纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采 用交流无级变速，提高产品的质量和效率。
（4）钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动 设备上使用交流变频传动。
（5）有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球 磨机、给料等进行变频无级调速控制。
（6）油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。 此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、 输煤等控制系统。
7
交流调速系统概述
（7）变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。 （8）变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用， 提高调速性能和产品质量。 （9）变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水 泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。 （10）机械行业。是企业最多、分布最广的基础行业。 从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需 要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台 交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调 速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使 刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各 轴联动完成指定坐标位置移动。
6
交流调速系统概述
交流电动机调速系统的技术应用：
（1）风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进 行变频、串级调速，可以节能。
（2）对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运 行平稳、档次提高。
（3）纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采 用交流无级变速，提高产品的质量和效率。
（4）钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动 设备上使用交流变频传动。
（5）有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球 磨机、给料等进行变频无级调速控制。
（6）油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。 此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、 输煤等控制系统。
7
交流调速系统概述
（7）变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。 （8）变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用， 提高调速性能和产品质量。 （9）变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水 泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。 （10）机械行业。是企业最多、分布最广的基础行业。 从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需 要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台 交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调 速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使 刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各 轴联动完成指定坐标位置移动。
交流调速系统之调压调速_课件
异步电动机调压调速系统
设VT1的导通角为 ，则有约束条件：
将此约束条件代入电流表达式，得到由阻抗角和触发角计算 角的
方程式：
该方程为超越方程，难于求解，结果已被作成曲线，实用中可以
查曲线求 。
22
异步电动机调压调速系统
f (,)
对该曲线说明如下：
23
异步电动机调压调速系统
24
2）带零线的三相全波星形联接 调压电路
9
异步电动机调压调速系统
3）三相半控星形联接的调压电路
5）晶闸管三角形联接的调压电路
4）晶闸管与负载接成内三角形的 调压电路
10
异步电动机调压调速系统
二. 三相交流调压电路的工作原理
原理分析使用下图的三相全波星形连接调压电路：
* 触发脉冲要求：双脉冲或宽脉冲，与电源电压同步。
交流调速系统之调压调速_课件
交流调速系统之调压调速_课件
异步电动机调压调速系统
第一节 调压调速的原理与方法
一. 异步电动机调压调速原理 二. 异步电动机调压调速方法
3
异步电动机调压调速系统
一. 异步电动机调压调速原理
调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大 小来调节转子转速的方法。
理论依据来自异步电动机的机械特性方程式：
因异步电动机的拖动转矩与供电电压的平方成正比，因 此降低供电电压，拖动转矩就减小，电机就会降到较低的运 行速度。
不同供电电压对应的机械特性曲线如图所示。图中垂直 虚线为恒转矩负载线，可以看出调压调速对于恒转矩负载， 调速范围很小（A-B-C），而对于风机类负载调速范围则较大 （F-E-D）。
4
异步电动机调压调速系统
16
异步电动机调压调速系统
第一章交直流调速系统PPT课件
的地方仍然使用这种系统。 但是这种由机组供电的直流调速系统需要旋
转变流机组，至少包含两台与调速直流电动机 容量相当的旋转电机（原动机和直流发电机） 和一台容量小一些的励磁发电机，因而设备多 、体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪 音、维护不方便。为了克服这些缺点，在20世 纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变 流机组，直流调速系统进入了由静止变流装置 供电的时代。
K K
晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合
晶闸管由P1、N1、P2、N2四层半导体材料交替组成，其结构 及图形符号如图所示。P1区引出的电极为阳极A，N2层引出的 电极为阴极K，由中间P2层引出的电极为控制极G。为更好的理 解晶闸管的工作原理，常将其N1、P2两个区域分解成两部分， 分别构成一个NPN型和一个PNP型的三极管。分解后的情况如图
晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性， 但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调 压及开关等方面。
优点： 体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、
操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、 正向耐压达数千伏）。
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
一、基本结构
对系统的调速性能要求不高时，可直接由励
磁电源供电，要求较高的闭环直流调速系统一 般都通过放大装置（G-M系统的放大装置多采用 交磁放大机或磁放大器）进行控制。如果改变 if的方向，则U的极性和n的转向都跟着改变， 因此G-M系统的可逆运行是很容易的。
G-M系统具有很好的的调速性能，在20世纪50 年代曾广泛地使用，至今在尚未进行设备更新
Ra
调改速变特电性压：UN U n ， n0
转速下降，机械特性曲线平行下移。
交流调速系统 (1)
调压调速
转差功率消耗型： 串电阻调速
异步电机
电磁离合器调速
调速系统 转差功率回馈型： 串级调速
变磁极对数调速 转差功率不变型：
变频调速
6.2 闭环控制的交流变压调速系统
交流电机几种调压方式 异步电动机改变电压的机械特性曲线
（开环） 闭环控制的调压调速系统 近似的动态结构图
6.2 闭环控制的交流变压调速系统
1、系统组成
~
+
U*n + Un
GT
Uc ASR
M 3~
n
TG
a)原理图
图6-5 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统
2、系统静特性
n n0
B
n*2
A
A’’
A’
U1min
C UN
0
TL
Te
图6-5b 闭环控制变压调速系统的静特性
按照反馈控制规律，将A´ 、A、A”连 接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步 电机的开环机械特性和直流电机的开环特 性差别很大，但是在不同电压的开环机械 特性上各取一个相应的工作点，连接起来 便得到闭环系统静特性，这样的分析方法 对两种电机是完全一致的。
A
A’
n*3 U1min
UN
0
TL
Te
图6-5b 闭环控制变压调速系统的静特性
3、系统静态结构框图
~
+
U*n +
U*n
-
-
Un Un
GT
ASR ASR
Uc
Uc
U1
Ks
-TL n=f(U1，Te)
n
M 3~
n
TG
图6-6 异步电机闭环变压调速系统的稳态结构框图
课件1-2调速系统性能指标
12调速系统性能指标学习内容121调速系统概述122调速控制系统的性能指标121调速系统概述电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备所以需要根据工艺要求调节其转速
1.2 调速系统性能指标
学习内容
• 1.2.1、调速系统概述 • 1.2.2、调速控制系统的性能指标
1.2.1、调速系统概述
• 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所
一、稳态性能指标
1) 调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转
速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围,用字母D
表示，即：
nmax nN D nmin nmin
nN ：额定转速
2) 静差率
当系统在某一转速下稳定运行时，负载由理 想空载增加到额定负载时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速n0之比，称作静差率s， 它与机械特性硬度有关，该数值越小，说明电 机稳定性越好即： n N (1-3) s n0 或用百分数表示 ： nN s 100% n0 式中 nN = n0 - nN
调速范围与转差率关系
nN nN s n0 nmin nN
由
推导：
nmin
nN (1 N s D nmin nmin nN (1 s)
本节内容总结
• 1、调速系统概述 • 2、调速控制系统的性能指标：调速范 围D、转差率S 、机械特性硬度
以需要根据工艺要求调节其转速。
• 将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称
之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统
就被称为是调速系统。
交流与直流调速系统
• 目前调速系统分交流和直流调速系统，直流调速 系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具 有良好的动态性能。 • 但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的 交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流 调速系统发展趋势。
1.2 调速系统性能指标
学习内容
• 1.2.1、调速系统概述 • 1.2.2、调速控制系统的性能指标
1.2.1、调速系统概述
• 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所
一、稳态性能指标
1) 调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转
速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围,用字母D
表示，即：
nmax nN D nmin nmin
nN ：额定转速
2) 静差率
当系统在某一转速下稳定运行时，负载由理 想空载增加到额定负载时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速n0之比，称作静差率s， 它与机械特性硬度有关，该数值越小，说明电 机稳定性越好即： n N (1-3) s n0 或用百分数表示 ： nN s 100% n0 式中 nN = n0 - nN
调速范围与转差率关系
nN nN s n0 nmin nN
由
推导：
nmin
nN (1 N s D nmin nmin nN (1 s)
本节内容总结
• 1、调速系统概述 • 2、调速控制系统的性能指标：调速范 围D、转差率S 、机械特性硬度
以需要根据工艺要求调节其转速。
• 将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称
之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统
就被称为是调速系统。
交流与直流调速系统
• 目前调速系统分交流和直流调速系统，直流调速 系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具 有良好的动态性能。 • 但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的 交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流 调速系统发展趋势。
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• 发电装机容量3.57亿千瓦，居世界第2位
2
世界能源发展趋势
• 目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤,化 石能源占80%以上
• 工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、 天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡
• 为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风 电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长 率达30%以上
济炭 术障 进
清合 支石
核
洁理 撑油
能
技高 体安 术效 系全
技 术
技大 术型 研水 究电 开工 发程
力先 输进 配可 系靠 统的
电
模可 化再 利生 用能 技源 术规
池氢 技能 术与
燃 料 电
5
课程的性质、目的、任务
以变频调速为代表的交流调速系统以其卓 越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得 到广泛的应用，为节能降耗、改善控制性能、 提高产品的产量和质量提供了重要手段。
11
历史回眸
由于这类机械均采用恒速交流电动机驱动，应生 产工艺流量的调节要求。
采用的主要调节措施有：
1）闸阀 2）挡板
3）放空 4）回流
大量电能无 谓的损耗
如果采用改变电机转速的办法来实现流量的调节，则
由于轴功率是与流量的三次方成正比的，因此，可收到十
分明显的节电效果。
12
2 直流调速系统的特点
因此，有效地利用电动机，改进其运行性能，根 据需要控制电动机的转速，降低运行中的消耗，是节 省电能的一个重要手段。
18
实例分析
以大型轧机的传动系统为例，一套2050mm的热连轧 板机，精轧部分采用交流传动，比直流传动可节电1150万 kWh／年，节水30％，转动惯量减少77％，响应时间缩短 30％，设备投资节省很多，停机维修时间缩短75％。
交流机若达到直流机的调速水平，对调速器提出了极 高的要求：功率器件？微处理器？控制理论与方法？
17
节能降耗的出路
我国电网的总负荷分配：动力负荷占60％；其中异步 电动机负荷又占总负荷的85％左右。
此外，约占全国工业总用电量的1/3的各种风机、 泵、压缩机等类的电气传动系统也理所当然地成为人 们关心的主要对象。
7
课程的性质、目的、任务
通过本课程的学习，使大家了解现代交流调速系统的技 术概况与发展趋势以及主要应用领域； ➢掌握现代交流调速系统工作原理与控制策略； ➢掌握变频器与感应电动机、变频器与同步电动机组成变频 调速系统等电力拖动系统的组成、工作原理、运行特性； ➢为今后工作和进一步深入应用和研究运动控制系统和电气 节能技术奠定坚实的理论基础。
3
世界能源发展趋势（续）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B.tce
可再生能源 核能 水电 天然气 石油 煤炭
传统生物能
• 化石燃料峰值在2030左右 • 2060年左右可再生能源接近总能源消费量的一4半
我国能源科技的优先主题
加强节能 提高能效
能源科技
以煤为主 多元化发展
可再生能源和 氢能利用
高发 能展 效节 技能 术和
提
经煤 技保 先
1）调速优良，易于控制
静态性能 性能
动态性能
静差度 精度误差 调速范围（深度） 动态响应快
13
易于控制：电枢和励磁线圈可以独立调节
天然解耦：DC MOTOR Ia与Φm线性无关 是解耦的
Φm
T=Cm×Ia×Φm
Ia
数学模型简单：线性2阶＋1阶，经典控制论足 以应对
1阶：SCR整流器的数学模型
Gs()Kses 1K ss
14
２）直流电机的缺点
a）结构上存在的机械换向器和电刷 b）造价偏高 c）维护困难 ，使用环境受限 d）寿命短 e）在容量发展上受限制
这为发展交流调速技术提供的机会和需求！！！
15
３ 直流调速系统的特点
1)交流电机的优点
(1)结构简单 (2)坚固耐用
体积小 转动惯量小 价格低廉
重量轻 动态响应好
运动控制特别是交流调速系统是近代工业 的重要基础，是电气传动发展的主流方向。
6
课程的性质、目的、任务
《现代交流调速系统》课程为自动化专业本科 生的一门专业必修课。它以交流电机为被控对象， 以控制理论为指导，以电力电子技术为强弱电媒 介，以计算机技术和电子技术为手段，并结合检 测技术、通信技术构成一门专业性、实用性强的 课程。
现代交流调速系统
主讲教师：杜春水 张承慧
1
能源形势浅谈
－－电气节能任重而道远
我国能源状况，以2002年为例 • 一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，为世界第
２大能源消费国
• 一次能源产量为13.87亿吨标准煤 ➢ 煤炭产量13.8亿吨，居世界第1位 ➢ 原油1.67亿吨，居世界第5位 ➢ 天然气产量326.6亿立方米，居世界第16位
8
第一章 概 述
1.1交流调速系统的发展及其特点 1.2交流调速系统的物质基础与关
键技术 1.3交流调速的应用 1.4交流调速的分类 1.5同步电动机的基本概念及分类
9
一、变频调速技术的发展历史及现状
（一）变频调速技术的发展历史 1、 电气传动领域的格局 从19世纪90年代初第一条三相输电线路建成 到20世纪60年代末
电力工业的发展大体形成这样的格局： －99.999％的电能由同步电机发出 －60％～70％的电能通过各种电机加以利用
10
交流电机占80％左右，其中大多数为异步 电机直接拖动（人为不变速）。 在其余20％需要变速运行的高性能传动系统 中，直流电机一直占据主导地位。 直流电动机何以在早期的调速领域备受青睐? 这缘于其优异的调速性能！！
７０年代的石油危机，促使了交流调速技术的发展！
20
二、交流调速的物质基础
变频调速技术涉及到电力、电子、电 工、信息与控制等多个学科领域。随着电 力电子技术、计算机技术和自动控制技术 的发展，以变频调速为代表的近代交流调 速技术有了飞速的发展。
风机水泵类的传动由交流恒速挡板阀门调节方案改造 成交流电机调速方案平均可节电20％，设备改造费用一般 可在1～3年内回收。
19
历史的选择
人们形象地看到了调速不仅可以提高工艺控制 性能，而且可以节约大量的能量。
因此，在世界范围内掀起的来势迅猛、经久不衰 的交流电机变频调速技术研究热潮，已经并将继续带 来巨大的经济效益和社会效益。
这是交流调速取代直流调速提供的根本动力！！！
16
２) 难于控制，调速性能先天不足
a) 多变量耦合
AC MOTOR T=Cm×I’2×Φm×COSφ’2 T不仅与I’2×Φm有关， 还与n有关（ COSφ’2 与r’2/s有关） 有耦合关系，即多变量耦合系统
b)强非线性 T∝ I’2×Φm
c)高阶次： 至少是7阶
2
世界能源发展趋势
• 目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤,化 石能源占80%以上
• 工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、 天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡
• 为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风 电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长 率达30%以上
济炭 术障 进
清合 支石
核
洁理 撑油
能
技高 体安 术效 系全
技 术
技大 术型 研水 究电 开工 发程
力先 输进 配可 系靠 统的
电
模可 化再 利生 用能 技源 术规
池氢 技能 术与
燃 料 电
5
课程的性质、目的、任务
以变频调速为代表的交流调速系统以其卓 越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得 到广泛的应用，为节能降耗、改善控制性能、 提高产品的产量和质量提供了重要手段。
11
历史回眸
由于这类机械均采用恒速交流电动机驱动，应生 产工艺流量的调节要求。
采用的主要调节措施有：
1）闸阀 2）挡板
3）放空 4）回流
大量电能无 谓的损耗
如果采用改变电机转速的办法来实现流量的调节，则
由于轴功率是与流量的三次方成正比的，因此，可收到十
分明显的节电效果。
12
2 直流调速系统的特点
因此，有效地利用电动机，改进其运行性能，根 据需要控制电动机的转速，降低运行中的消耗，是节 省电能的一个重要手段。
18
实例分析
以大型轧机的传动系统为例，一套2050mm的热连轧 板机，精轧部分采用交流传动，比直流传动可节电1150万 kWh／年，节水30％，转动惯量减少77％，响应时间缩短 30％，设备投资节省很多，停机维修时间缩短75％。
交流机若达到直流机的调速水平，对调速器提出了极 高的要求：功率器件？微处理器？控制理论与方法？
17
节能降耗的出路
我国电网的总负荷分配：动力负荷占60％；其中异步 电动机负荷又占总负荷的85％左右。
此外，约占全国工业总用电量的1/3的各种风机、 泵、压缩机等类的电气传动系统也理所当然地成为人 们关心的主要对象。
7
课程的性质、目的、任务
通过本课程的学习，使大家了解现代交流调速系统的技 术概况与发展趋势以及主要应用领域； ➢掌握现代交流调速系统工作原理与控制策略； ➢掌握变频器与感应电动机、变频器与同步电动机组成变频 调速系统等电力拖动系统的组成、工作原理、运行特性； ➢为今后工作和进一步深入应用和研究运动控制系统和电气 节能技术奠定坚实的理论基础。
3
世界能源发展趋势（续）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B.tce
可再生能源 核能 水电 天然气 石油 煤炭
传统生物能
• 化石燃料峰值在2030左右 • 2060年左右可再生能源接近总能源消费量的一4半
我国能源科技的优先主题
加强节能 提高能效
能源科技
以煤为主 多元化发展
可再生能源和 氢能利用
高发 能展 效节 技能 术和
提
经煤 技保 先
1）调速优良，易于控制
静态性能 性能
动态性能
静差度 精度误差 调速范围（深度） 动态响应快
13
易于控制：电枢和励磁线圈可以独立调节
天然解耦：DC MOTOR Ia与Φm线性无关 是解耦的
Φm
T=Cm×Ia×Φm
Ia
数学模型简单：线性2阶＋1阶，经典控制论足 以应对
1阶：SCR整流器的数学模型
Gs()Kses 1K ss
14
２）直流电机的缺点
a）结构上存在的机械换向器和电刷 b）造价偏高 c）维护困难 ，使用环境受限 d）寿命短 e）在容量发展上受限制
这为发展交流调速技术提供的机会和需求！！！
15
３ 直流调速系统的特点
1)交流电机的优点
(1)结构简单 (2)坚固耐用
体积小 转动惯量小 价格低廉
重量轻 动态响应好
运动控制特别是交流调速系统是近代工业 的重要基础，是电气传动发展的主流方向。
6
课程的性质、目的、任务
《现代交流调速系统》课程为自动化专业本科 生的一门专业必修课。它以交流电机为被控对象， 以控制理论为指导，以电力电子技术为强弱电媒 介，以计算机技术和电子技术为手段，并结合检 测技术、通信技术构成一门专业性、实用性强的 课程。
现代交流调速系统
主讲教师：杜春水 张承慧
1
能源形势浅谈
－－电气节能任重而道远
我国能源状况，以2002年为例 • 一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，为世界第
２大能源消费国
• 一次能源产量为13.87亿吨标准煤 ➢ 煤炭产量13.8亿吨，居世界第1位 ➢ 原油1.67亿吨，居世界第5位 ➢ 天然气产量326.6亿立方米，居世界第16位
8
第一章 概 述
1.1交流调速系统的发展及其特点 1.2交流调速系统的物质基础与关
键技术 1.3交流调速的应用 1.4交流调速的分类 1.5同步电动机的基本概念及分类
9
一、变频调速技术的发展历史及现状
（一）变频调速技术的发展历史 1、 电气传动领域的格局 从19世纪90年代初第一条三相输电线路建成 到20世纪60年代末
电力工业的发展大体形成这样的格局： －99.999％的电能由同步电机发出 －60％～70％的电能通过各种电机加以利用
10
交流电机占80％左右，其中大多数为异步 电机直接拖动（人为不变速）。 在其余20％需要变速运行的高性能传动系统 中，直流电机一直占据主导地位。 直流电动机何以在早期的调速领域备受青睐? 这缘于其优异的调速性能！！
７０年代的石油危机，促使了交流调速技术的发展！
20
二、交流调速的物质基础
变频调速技术涉及到电力、电子、电 工、信息与控制等多个学科领域。随着电 力电子技术、计算机技术和自动控制技术 的发展，以变频调速为代表的近代交流调 速技术有了飞速的发展。
风机水泵类的传动由交流恒速挡板阀门调节方案改造 成交流电机调速方案平均可节电20％，设备改造费用一般 可在1～3年内回收。
19
历史的选择
人们形象地看到了调速不仅可以提高工艺控制 性能，而且可以节约大量的能量。
因此，在世界范围内掀起的来势迅猛、经久不衰 的交流电机变频调速技术研究热潮，已经并将继续带 来巨大的经济效益和社会效益。
这是交流调速取代直流调速提供的根本动力！！！
16
２) 难于控制，调速性能先天不足
a) 多变量耦合
AC MOTOR T=Cm×I’2×Φm×COSφ’2 T不仅与I’2×Φm有关， 还与n有关（ COSφ’2 与r’2/s有关） 有耦合关系，即多变量耦合系统
b)强非线性 T∝ I’2×Φm
c)高阶次： 至少是7阶